范瑩瑩 解滔 安張輝 王建軍 李飛 張騫

1）中國(guó)地震局蘭州地震研究所，蘭州市城關(guān)區(qū)東崗西路450號(hào) 730000

2）甘肅省地震局，蘭州市城關(guān)區(qū)東崗西路450號(hào) 730000

3）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

4）江蘇省新沂地震臺(tái)，江蘇新沂 221400

5）江蘇省高郵地震臺(tái)，江蘇高郵 225601

0 引言

國(guó)際上十分重視地電、地磁場(chǎng)在地震與火山監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，1975年，俄羅斯學(xué)者Sobolev發(fā)表了1973年后的Kamchatka大地電流場(chǎng)震前異常的研究成果（Sobolev，1975）；希臘的3位物理學(xué)家提出從連續(xù)地電場(chǎng)觀測(cè)資料提取SES信號(hào)預(yù)測(cè)地震的VAN法（Varotsos et al，1986）。我國(guó)自1976年邢臺(tái)地震后，開展了大規(guī)模、規(guī)范化的定點(diǎn)地電觀測(cè)，目前，中國(guó)大陸已建成100多個(gè)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站，其中部分臺(tái)站持續(xù)觀測(cè)時(shí)間已超過10年以上。在對(duì)地電場(chǎng)的分析研究中，相對(duì)于地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)而言，地電場(chǎng)時(shí)空變化規(guī)律方面相對(duì)薄弱。

地球表面存在著天然的變化電場(chǎng)和穩(wěn)定電場(chǎng)。各種天然的全球性或區(qū)域性的變化電場(chǎng)稱為大地電場(chǎng)，而各種天然的地方性的穩(wěn)定電場(chǎng)則稱為自然電場(chǎng)，這2種電場(chǎng)構(gòu)成地電場(chǎng)。譚大誠(chéng)等（2010）基于中國(guó)大陸100個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站的數(shù)據(jù)，將潮汐地電場(chǎng)分為近正弦形和近梯形2種，近正弦形地電場(chǎng)大多分布在大面積水域附近，與固體潮汐密切關(guān)聯(lián)；近梯形地電場(chǎng)則與氣潮作用產(chǎn)生的空間Sq電流關(guān)系密切。崔騰發(fā)等（2013）應(yīng)用中國(guó)大陸2條經(jīng)度鏈和2條緯度鏈上共37個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究地電場(chǎng)日變化的時(shí)／頻特征。本文以半日波為研究對(duì)象，研究中國(guó)大陸東部沿海地區(qū)地電場(chǎng)半日波日變幅，分析地電場(chǎng)半日波日變幅變化的時(shí)空分布規(guī)律，以期對(duì)此現(xiàn)象的產(chǎn)生原因獲得初步認(rèn)識(shí)。

1 臺(tái)站基本情況及計(jì)算方法

中國(guó)大陸地電場(chǎng)觀測(cè)是定點(diǎn)大地電場(chǎng)測(cè)量，水平布設(shè)NS、EW和斜測(cè)向長(zhǎng)短共6測(cè)道，長(zhǎng)短極距比在1.5左右，長(zhǎng)極距多在300～400m（杜學(xué)彬等，2006），測(cè)量頻段在0～0.005Hz，采樣率為1次／min，儀器分辨率為10μV，24h連續(xù)觀測(cè)。全國(guó)現(xiàn)運(yùn)行地電場(chǎng)臺(tái)站100多個(gè)，存在東部地區(qū)密集、西部地區(qū)稀疏，斷裂帶附近密集、非斷裂帶附近稀疏，北部地區(qū)建臺(tái)較多、南部地區(qū)臺(tái)站分布較少等特點(diǎn)。本文主要研究中國(guó)大陸東部沿海地區(qū)地電場(chǎng)月周期變化特征，在選取臺(tái)站時(shí)，以臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量高、臺(tái)站分布范圍盡量大、距離海岸較近為原則，選取高郵、新沂、陵陽(yáng)、昌黎等4個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站。上述4臺(tái)同處于119°E線附近，以地電場(chǎng)臺(tái)站每天連續(xù)觀測(cè)1440個(gè)分鐘值數(shù)據(jù)為單位，利用小波變換法進(jìn)行計(jì)算，提取其中12h周期成分（即半日波），臺(tái)站具體位置分布見圖1。為了與內(nèi)陸地區(qū)地電場(chǎng)半日波變化特征進(jìn)行對(duì)比，隨機(jī)選取位于內(nèi)陸地區(qū)觀測(cè)質(zhì)量高的山西大同、寧夏石嘴山、甘肅古豐3臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算方法同上。時(shí)間上選擇地震較為平靜的2011年為研究時(shí)段。

圖1 地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站分布

小波變換是空間（時(shí)間）與頻率的局部變換，因而能有效地從信號(hào)中提取信息。因其可通過伸縮和平移等運(yùn)算技術(shù)對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度的細(xì)化分析，解決了傅里葉變換不能解決的許多問題，故在地球物理、地震勘探等各項(xiàng)研究中得到廣泛的應(yīng)用（范瑩瑩等，2014；呂品姬等，2011；解滔等，2013；鄭兆苾等，2007；張?jiān)龋?010）。本文將不同臺(tái)站同一月份以及同一臺(tái)站不同月份地電場(chǎng)半日波日變化進(jìn)行對(duì)比，研究東部沿海地區(qū)半日波日變化特征，期望得到沿海地區(qū)半日波日變幅的周期性變化原因及其分布規(guī)律等。

2 地電場(chǎng)半日波月變化

圖2 高郵臺(tái)2011年1～12月地電場(chǎng)半日波

圖2～5分別為位于沿海地區(qū)的高郵（119.26°E，32.67°N）、新沂（118.39°E，34.38°N）、陵陽(yáng)（118.90°E，35.54°N）、昌黎（119.05°E，39.72°N）4個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站2011年1～12月地電半日波變化圖，圖中橫坐標(biāo)表示日期，縱坐標(biāo)表示半日波強(qiáng)度。高郵臺(tái)2011年12個(gè)月里均發(fā)生半日波日變幅每月2次周期性增大、減少的現(xiàn)象，每月2次半日波日變幅最小發(fā)生時(shí)間差為13～16天左右，平均每月最小日變幅發(fā)生時(shí)間提前約19h（圖2）；新沂臺(tái)在2011年12個(gè)月中有7個(gè)月發(fā)生半日波日變幅周期性變化的現(xiàn)象，主要集中在5～7月，時(shí)間差為13～16天，平均每月提前約14h（圖3）；陵陽(yáng)臺(tái)在2011年共有5個(gè)月份發(fā)生半日波日變幅周期性變化的現(xiàn)象，集中在5～9月份，每月2次最小日變幅之間的時(shí)間差為14～17天，平均每月提前約18h（圖4）；昌黎臺(tái)在2011年共有6個(gè)月發(fā)生半日波日變幅周期性變化，主要集中在4～9月份，2次半日波最小日變幅之間的時(shí)間差為13～17天，平均每月提前約13h（圖5）。仔細(xì)觀察、對(duì)比圖2～5可發(fā)現(xiàn)，半日波日變幅存在夏季比冬季大的特點(diǎn)（部分月份存在因受到干擾等造成半日波日變幅突然大幅度增大、減少等無(wú)規(guī)律性變化的現(xiàn)象）。接下來與位于內(nèi)陸地區(qū)的地電場(chǎng)臺(tái)站進(jìn)行對(duì)比。以大同（113.24°E，40.13°N）、石嘴山（106.66°E，39.38°N）、古豐（102.83°E，37.43°N）地電場(chǎng)臺(tái)站為例（圖6～8），這3個(gè)臺(tái)站的地電場(chǎng)半日波日變幅偶有增大、減少現(xiàn)象，但整體變化相對(duì)平穩(wěn)，半日波日變幅增大、減少現(xiàn)象的發(fā)生不具有規(guī)律性，所以認(rèn)為位于內(nèi)陸地區(qū)的地電場(chǎng)臺(tái)站未觀測(cè)到半日波日變幅周期性增大減少的現(xiàn)象，但這些內(nèi)陸地區(qū)的臺(tái)站同樣存在半日波日變幅夏季比冬季大的特點(diǎn)。

圖3 新沂臺(tái)2011年1～12月地電場(chǎng)半日波

圖4 陵陽(yáng)臺(tái)2011年1～12月地電場(chǎng)半日波

為了更加清晰、直觀地總結(jié)高郵等4臺(tái)每月日變幅周期性變化的規(guī)律，匯總4臺(tái)站每月半日波日變幅最小發(fā)生日期在表1，表1中括弧內(nèi)為每月最小日變幅對(duì)應(yīng)的陰歷日期。比對(duì)高郵臺(tái)2011年12個(gè)月半日波最小日變幅發(fā)生時(shí)間，發(fā)現(xiàn)其半日波最小日變幅發(fā)生在陰歷每月初七、二十二左右；新沂臺(tái)該變幅發(fā)生在陰歷初十～十六、二十六～下個(gè)月初二左右；陵陽(yáng)臺(tái)該變幅發(fā)生在陰歷每月十四、二十八左右；昌黎臺(tái)該變幅發(fā)生在陰歷每月初八、二十三左右。上述4臺(tái)每月2次半日波日變幅周期性變化的現(xiàn)象主要集中發(fā)生在5～9月份，東部沿海地區(qū)降雨主要集中在夏秋季節(jié)，因此基本可以排除降雨對(duì)半日波周期性變化的影響?？疾?011年地磁Kp指數(shù)和Dst指數(shù)，一般當(dāng)∑Kp＞30，則認(rèn)為當(dāng)天的地磁活動(dòng)強(qiáng)烈，Dst≤－30nT并持續(xù)兩小時(shí)以上，則認(rèn)為當(dāng)天有磁暴發(fā)生（曾中超等，2009），半日波每月趨勢(shì)性減少、增大的現(xiàn)象與磁暴的發(fā)生在時(shí)間上無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系。Kp指數(shù)參照http：／／www-app3.gfz-potsdam.de／obs／niemegk／monrep／index.html，Dst指數(shù)參照http：／／wde.kugi.kyoto-u.ac.jp／dst＿realtime／。

圖5 昌黎臺(tái)2011年1～12月地電場(chǎng)半日波

3 分析討論

高郵臺(tái)2011年每月均發(fā)生2次半日波日變幅周期性增大、減少的現(xiàn)象，新沂臺(tái)在2011年有7個(gè)月發(fā)生此現(xiàn)象，陵陽(yáng)臺(tái)為5個(gè)月，昌黎臺(tái)為6個(gè)月。高郵臺(tái)海拔4m，緊鄰京杭大運(yùn)河，測(cè)區(qū)周圍水系發(fā)達(dá)，臺(tái)站使用電極為固體不極化電極，電極埋深2.5m，距離最近海岸約150km；新沂臺(tái)地處郯廬斷裂帶上，海拔35m，靠近京杭大運(yùn)河，固體不極化電極埋深5m，距離最近海岸約90km；陵陽(yáng)臺(tái)地處沂沭斷裂帶昌邑-大唐斷裂中南部，地勢(shì)較平坦，海拔145m，固體不極化電極埋深3m，距離最近海岸約60km；昌黎臺(tái)海拔18.4m，使用鉛電極，電極埋深3m，地質(zhì)構(gòu)造位于昌-寧斷裂北側(cè)，燕山山前沖積平原上，含水層發(fā)育，地下水位15m，距離最近海岸約30km。仔細(xì)觀察圖1可發(fā)現(xiàn)，高郵臺(tái)測(cè)區(qū)周圍河流、湖泊分布最多，新沂臺(tái)距離京杭大運(yùn)河較近，而昌黎臺(tái)距離海岸只有30km，地下水位較高，對(duì)比分析認(rèn)為：臺(tái)站測(cè)區(qū)周圍河流、湖泊等分布越為密集，距離大型水系越近，位于沿海地區(qū)的臺(tái)站越容易觀測(cè)到半日波日變幅周期性變化的現(xiàn)象。表2列出了高郵、新沂、陵陽(yáng)、昌黎地電場(chǎng)臺(tái)站地磁經(jīng)緯度。由表2可見，高郵等4臺(tái)地磁緯度相差較大，而地磁經(jīng)度相差較小，特別是高郵臺(tái)與昌黎臺(tái)，二者只相差0.005°，新沂臺(tái)與陵陽(yáng)臺(tái)地磁經(jīng)度相差0.528°。由表1可知，高郵、昌黎臺(tái)每月最小日變幅發(fā)生時(shí)間幾乎一致，而新沂、陵陽(yáng)臺(tái)每月最小日變幅發(fā)生時(shí)間相差2天左右，初步分析認(rèn)為半日波周期性增大減小現(xiàn)象的發(fā)生時(shí)間可能與臺(tái)站所在位置的地磁經(jīng)度有關(guān)。

圖6 大同臺(tái)2011年1～12月地電場(chǎng)半日波

月球和太陽(yáng)對(duì)地球的天體引力（即起潮力）使地球產(chǎn)生了潮汐形變，即所謂地球的固體潮。起潮力同時(shí)也使海水產(chǎn)生潮汐，還使地球外的大氣層產(chǎn)生大氣潮汐。海洋潮汐影響水位的變化幅度，隨距海岸的距離增大而呈指數(shù)衰減（張昭棟，1989）。月球自西向東繞地球公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)1圈為27.32天，公轉(zhuǎn)軌道相對(duì)地球赤道傾斜10°左右。當(dāng)月球與地球上某質(zhì)點(diǎn)接近的過程中，根據(jù)固體潮理論，垂直流管壁面向上的引潮力逐漸增加，并導(dǎo)致地面微升，表層巖石裂隙在該過程中膨脹，相對(duì)無(wú)裂隙部分更為明顯，巖石裂隙即為內(nèi)部水的流管。這一過程中各流管連通狀態(tài)逐漸變好、流管膨脹，有助于水形成穩(wěn)定的定向滲流，滲流層中電場(chǎng)變強(qiáng)，地表地電場(chǎng)也變強(qiáng)，當(dāng)月球遠(yuǎn)離地球上某質(zhì)點(diǎn)的過程中，引潮力逐漸減少，巖石裂隙疏通性變差，裂隙內(nèi)含水量降低，地電場(chǎng)變?nèi)酰ㄗT大誠(chéng)等，2010）。故此，可分析認(rèn)為沿海地區(qū)地電場(chǎng)半日波日變幅周期性變化的現(xiàn)象可能是由于海洋潮汐對(duì)地電場(chǎng)的作用引起的。

表1高郵、新沂、陵陽(yáng)、昌黎臺(tái)2011年1～12月每月半日波日變幅最小發(fā)生時(shí)間

表2 高郵、新沂、陵陽(yáng)、昌黎地電場(chǎng)臺(tái)站磁經(jīng)緯度

4 結(jié)論

本文分析研究了位于中國(guó)大陸東部沿海地區(qū)的高郵、新沂、陵陽(yáng)、昌黎4臺(tái)以及對(duì)比分析位于內(nèi)陸地區(qū)大同、石嘴山、古豐3臺(tái)2011年地電場(chǎng)半日波日變幅，研究發(fā)現(xiàn)：

（1）高郵臺(tái)2011年全年12個(gè)月地電場(chǎng)均發(fā)生每月2次半日波日變幅周期性變化的現(xiàn)象，其發(fā)生2次最小半日波日變幅之間的時(shí)間差為14天左右，新沂、陵陽(yáng)、昌黎臺(tái)部分月份發(fā)生此現(xiàn)象，位于內(nèi)陸地區(qū)的大同等3臺(tái)站未觀測(cè)到此現(xiàn)象。

圖7 石嘴山臺(tái)2011年1～12月地電場(chǎng)半日波

（2）位于沿海以及內(nèi)陸地區(qū)的高郵等7臺(tái)均發(fā)生夏季地電場(chǎng)半日波日變幅大于冬季的現(xiàn)象（除部分月份由于受到干擾等原因形成半日波日變幅突然大幅度增大、減少等無(wú)規(guī)律性變化的月份）。

（3）通過考查臺(tái)站測(cè)區(qū)及周圍環(huán)境，初步分析認(rèn)為位于東部沿海地區(qū)的臺(tái)站是否發(fā)生每月半日波日變幅周期性增大、減少的現(xiàn)象的原因可能與測(cè)區(qū)周圍是否緊鄰海洋、湖泊、河流等大型水系有關(guān)。

（4）同一臺(tái)站不同月份半日波日變幅最小發(fā)生時(shí)間（陰歷日期）幾乎一致；不同臺(tái)站同一月份半日波日變幅最小發(fā)生時(shí)間不同，此現(xiàn)象的發(fā)生可能與臺(tái)站地磁經(jīng)度有關(guān)。

（5）沿海地區(qū)地電場(chǎng)半日波日變幅每月發(fā)生2次周期性增大、減少的現(xiàn)象，分析研究認(rèn)為，此現(xiàn)象的發(fā)生可能是受到海洋潮汐的影響。

圖8 古豐臺(tái)2011年1～12月地電場(chǎng)半日波